摘 要

　　單級機械蒸汽再壓縮系統廣泛應用于各類(lèi)蒸發(fā)濃縮領(lǐng)域，是節能降耗的有效形式。其對于沸點(diǎn)溫升低、蒸發(fā)量大的物料具有較好的適用性和節能性。當物料的沸點(diǎn)溫升較高時(shí)，水蒸氣壓縮機能耗顯著(zhù)提升，導致單級系統的節能性大幅降低。為有效解決上述問(wèn)題，本文以沸點(diǎn)溫升較大的硫酸鎂溶液作為研究對象，設計了兩級機械蒸汽再壓縮系統，通過(guò)一級蒸發(fā)器對初期濃度、沸點(diǎn)溫升均較低時(shí)的溶液先預先蒸發(fā)，二級蒸發(fā)器再繼續蒸發(fā)至飽和狀態(tài)，實(shí)現了蒸發(fā)濃縮過(guò)程的進(jìn)一步節能。本文主要包括以下研究?jì)热荩?/p>

　　（1）豎管降膜蒸發(fā)器傳熱傳質(zhì)過(guò)程數值模擬研究。以硫酸鎂溶液在豎直管內的降膜蒸發(fā)過(guò)程為研究對象，考慮傳質(zhì)過(guò)程對傳熱的影響因素，對兩級系統中的豎管降膜蒸發(fā)器進(jìn)行傳熱傳質(zhì)研究；在適當簡(jiǎn)化傳熱、傳質(zhì)相互耦合復雜過(guò)程的基礎上，采用數值解法求解液膜在管內蒸發(fā)的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布。并分析壁溫、進(jìn)口溶液濃度、進(jìn)口溶液流量等對其傳熱性能的影響。

　　（2）MVR 水蒸氣壓縮機熱力特性與蒸汽平衡研究。比較和分析 R245fa 工質(zhì)與水蒸氣在 MVR 系統不同工況下對壓縮機結構設計與能耗的影響規律，提出適合低溫蒸發(fā)的熱泵蒸發(fā)系統；構建 MVR 壓縮機能耗分析數學(xué)模型；在硫酸鎂溶液的物性特點(diǎn)分析的基礎上，對 MVR 系統的熱量平衡、蒸汽平衡進(jìn)行了研究，得出了蒸發(fā)壓力、傳熱溫差、物料出口濃度和噴入飽和水量對抽氣量的影響規律。

　　（3）兩級機械蒸汽再壓縮系統數學(xué)建模。通過(guò)分析硫酸鎂溶液蒸發(fā)濃縮與結晶過(guò)程中的實(shí)際工藝要求，建立兩級 MVR 系統的工藝流程；在熱力學(xué)分析的基礎上，構建兩級 MVR 系統熱力模型以及各換熱器傳熱計算模型；由于二級強制循環(huán)泵的能耗不可忽略，同時(shí)建立了循環(huán)泵的能耗數學(xué)模型。

　　（4）兩級機械蒸汽再壓縮系統的優(yōu)化設計。通過(guò)分析熱力模型，選取實(shí)際工況條件下的一級蒸發(fā)器內蒸發(fā)壓力、一級蒸發(fā)器出口溶液濃度等 6 個(gè)關(guān)鍵參數作為優(yōu)化變量；綜合考慮系統節能性與經(jīng)濟性，選取系統年總費用作為優(yōu)化目標函數，并通過(guò)遺傳算法對兩級 MVR 系統進(jìn)行優(yōu)化設計，得出最小的年總費用值為122.2 萬(wàn)元/年。

　　關(guān)鍵詞：兩級 MVR 系統；降膜蒸發(fā)；MVR 壓縮機；遺傳算法

Abstract

　　The single-stage mechanical vapor re-compression system is widely used in various evaporation and concentration filed. It is an effective form of energy saving and consumption reduction. It has good applicability and energy-saving properties for materials with low boiling points and high evaporation capacity. When the temperature rise of the boiling point of the material is high, the energy consumption of water vapor compressor is significantly increased, resulting in a huge reduction in the energy efficiency of the single-stage system. In order to effectively solve this problem, the paper use MgSO4 solution as a research object and design a two-stage mechanical vapor compression system. The solution with a lower initial temperature and a higher boiling point temperature is passed through the first-stage evaporator for pre-evaporation. And the solution will be evaporated to saturation in the secondary evaporator, achieving further energy saving in the evaporation and concentration process. This article mainly includes the following contents:

　　（1）The numerical simulation of the heat and mass transfer process of a vertical tube falling film evaporator. Taking the falling film evaporation process of MgSO4 solution in vertical tube as the research object. Taking into account the influencing factors of heat transfer in the mass transfer process, the paper studies the heat and mass transfer of the falling tube evaporator in the two-stage system. Based on simplifying the process of heat and mass transfer, a numerical solution is used to solve the temperature filed and concentration filed distribution of liquid film in the tube. This paper analysis the effect of the wall temperature, heat transfer tube length, the concentration of imported solution on the heat transfer performance.

　　（2）Study on the thermodynamic characteristics of water vapor compressor and vapor balance. Comparing and analysis the effect of R245fa and vapor on the structural design and energy consumption under different working conditions of MVR system, this paper proposes a heat pump system suitable for low temperature rise and constructs a mathematics model for energy analysis of MVR compressor. Based on the analysis of physical properties, the heat balance and vapor balance of the MVR system is studied. The paper obtains the effects of evaporation pressure, heat transfer temperature difference, material outlet concentration and injected saturated water volume.

　　（3）Mathematical model of two-stage mechanical vapor re-compression system. By analyzing the actual requirements in the process of evaporation, concentration and crystallization of MgSO4, a two-stage MVR system process is established. On the basis of thermodynamic analysis, the paper constructs a two-stage MVR system thermal model and every heat transfer calculation models. The energy consumption of secondary forced circulating pump can not be ignored, and the mathematics model of pump is established.

　　（4）Optimized design of two-stage MVR system. By analyzing the thermal model, six key parameters such as the evaporation pressure in the first-stage evaporator and the concentration of the first-stage evaporator outlet solution under actual working conditions are selected as the optimization variables. The total annual cost of system is selected considering the energy saving and economy of the system. The two-stage MVR system will be optimized through a genetic algorithm, and the minimum total cost is 1.222 million yuan annually.

　　Keywords: Two-stage MVR system, Falling-film evaporation, MVR compressor, Genetic algorithm

　　生態(tài)文明建設是國家可持續發(fā)展的長(cháng)遠規劃，國家堅持把節能和環(huán)保作為基本國策之一。自 2013 年 3 月 1 日以來(lái)，火電、化工等六大行業(yè)及燃煤鍋爐[1]已被納入到排放限制行業(yè)中。與此同時(shí)，隨著(zhù)國內煤炭、石油等傳統能源價(jià)格持續走高，工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)成本壓力陡增。加強能源消費管理、促進(jìn)生產(chǎn)工藝技術(shù)、設備創(chuàng )新是工業(yè)企業(yè)克服發(fā)展瓶頸，國家實(shí)現節能減排目標的必由之路。

　　蒸發(fā)濃縮[2]是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的化工處理工藝，經(jīng)常應用在化學(xué)工業(yè)、紡織印染、食品醫藥、海水淡化、廢水處理等生產(chǎn)工藝過(guò)程中。實(shí)際生產(chǎn)中常以水溶液為蒸發(fā)對象，以飽和蒸汽作為加熱熱源。而從溶液中蒸發(fā)出來(lái)的“二次蒸汽”屬于低壓蒸汽，不具備用氣條件。因此這部分二次蒸汽直接排放至大氣，或被冷卻系統冷凝或用到一些低壓蒸汽設備，造成污染和能源浪費。為節約蒸汽消耗，降低生產(chǎn)成本，目前蒸發(fā)濃縮領(lǐng)域主要有三種改進(jìn)工藝：傳統的多效蒸發(fā)[3]（Multiple EffectEvaporator，MEE）、熱力蒸汽再壓縮[4]（Thermal Vapor Re-compression，TVR）、機械蒸汽再壓縮[5-8]（Mechanical Vapor Re-compression，MVR）。多效蒸發(fā)工藝需花費外界熱源提供的熱量，加熱物料使本效蒸發(fā)生成的二次蒸汽為下一效的蒸發(fā)提供熱量，再用冷卻塔等裝置生產(chǎn)冷卻水來(lái)冷卻末效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽。而熱力蒸汽再壓縮在傳統工藝基礎上增設了一個(gè)噴射泵，花費部分外界生蒸汽來(lái)引射物料產(chǎn)生的部分二次蒸汽，所有蒸汽在噴射泵內升溫升壓后作為物料加熱的熱源。

　　多效蒸發(fā)相對于單效蒸發(fā)工藝，二次蒸汽的潛熱得到了二次利用，使得蒸發(fā)過(guò)程的單位蒸發(fā)量所需耗汽量下降，但受經(jīng)濟技術(shù)條件制約，多效蒸發(fā)工藝的效數不能無(wú)止盡的增加。而熱力蒸汽再壓縮通過(guò)引入噴射泵使部分二次蒸汽的潛熱得到有效利用，相對于多效工藝進(jìn)一步節約了生蒸汽的用量。總的來(lái)說(shuō)，這兩種工藝均未能完全利用二次蒸汽潛熱，且均需消耗較多冷卻水用于末效剩余二次蒸汽的冷凝。

　　本課題所研究的 MVR 系統在電汽價(jià)格比合適的情況下，經(jīng)水蒸氣壓縮機壓縮二次蒸汽用于加熱物料，充分利用了原先浪費的二次蒸汽潛熱，相對前兩種工藝能更大限度地減少蒸汽和冷卻水的消耗量，是未來(lái)蒸發(fā)濃縮領(lǐng)域的必然趨勢。

　　相對于傳統的蒸發(fā)濃縮技術(shù)，MVR 技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）節能性 MVR 技術(shù)將蒸發(fā)器中原本需要冷卻水冷凝的二次蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮后作為新的熱源，節省了生蒸汽和冷卻水的使用量，單位能量消耗低，與多效蒸發(fā)工藝相比，蒸發(fā) 1kg 水，MVR 系統耗能大約只有多效蒸發(fā)系統的 9%[9]。

　　（2）經(jīng)濟性 MVR 系統除開(kāi)始啟動(dòng)與補充運行過(guò)程中散失的熱量需要少量蒸汽外，其余過(guò)程均不要生蒸汽。同時(shí)為了冷卻抽真空時(shí)伴隨而出的部分蒸汽需配備一個(gè)較小的冷卻水系統。因此，生產(chǎn)過(guò)程中只需消耗電力，運行成本相對傳統蒸發(fā)工藝更小。以 15t/h 氨基酸發(fā)酵液的蒸發(fā)濃縮為例，對采用機械蒸汽再壓縮工藝與三效蒸發(fā)工藝進(jìn)行對比研究。結果表明，傳統三效蒸發(fā)每年蒸汽消耗 900萬(wàn)元，循環(huán)用水消耗 50 萬(wàn)元，MVR 蒸發(fā)器電耗成本 150 萬(wàn)元，因此每年可節省運行成本 800 萬(wàn)元[10]。

　　（3）技術(shù)優(yōu)越性 機械蒸汽再壓縮系統傳熱溫差小，蒸發(fā)過(guò)程溫和，物料產(chǎn)品在蒸發(fā)器中停留時(shí)間短，操作簡(jiǎn)單，可根據工況條件調節負荷，操作成本低，可實(shí)現自動(dòng)化運行。

　　MVR技術(shù)因其諸多優(yōu)勢以及近年來(lái)國家積極倡導加快節能減排進(jìn)程而在國內越來(lái)越受到重視，盡管已有項目開(kāi)始實(shí)際應用，但針對不同物料，系統設計也將不同，以及諸如水蒸氣壓縮機的研發(fā)制造、系統的優(yōu)化設計問(wèn)題依然困擾著(zhù)研究人員。本課題以制備七水硫酸鎂晶體的蒸發(fā)濃縮流程為研究對象。七水硫酸鎂主要用于肥料﹑制革﹑印染﹑塑料﹑瓷器﹑火柴和防火材料的制造，醫藥上用作瀉鹽等。除去常規的工業(yè)制鹽工藝，在煙氣脫硫技術(shù)領(lǐng)域，國內逐漸興起的鎂法煙氣脫硫工藝，副產(chǎn)品主要為亞硫酸鎂和硫酸鎂，通過(guò)回收處理可制成七水硫酸鎂，用作肥料和建筑材料，提高鎂法脫硫技術(shù)的經(jīng)濟性[11]。因此，將 MVR 技術(shù)應用到七水硫酸鎂晶體的生產(chǎn)工藝中，可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟環(huán)保效益。

　　目前市場(chǎng)上出現的硫酸鎂溶液的蒸發(fā)濃縮技術(shù)仍以多效蒸發(fā)技術(shù)為主，MVR技術(shù)尚未普及，證明 MVR 技術(shù)在使用過(guò)程中仍有許多技術(shù)難點(diǎn)未被克服。本文針對硫酸鎂溶液沸點(diǎn)溫升較高的物性特點(diǎn)，考慮到單級 MVR 系統應用于沸點(diǎn)溫升較高的物料時(shí)會(huì )造成壓縮機能耗顯著(zhù)增大，結合技術(shù)經(jīng)濟性考慮，研究?jì)杉墮C械蒸汽再壓縮技術(shù)在硫酸美溶液蒸發(fā)濃縮、結晶工藝中的使用。

　　機械蒸汽再壓縮技術(shù)剛剛出現時(shí)，因為能源供給充足，且水蒸氣壓縮機的制造工藝得不到提升，導致該技術(shù)未能得到有效推廣。到了上世紀 70 年代，由于能源需求漸增與供應不足的矛盾造成能源價(jià)格飛速上漲，MVR 技術(shù)逐漸受到各國研究人員的重新認識和關(guān)注，并成功應用于蒸發(fā)操作中[12]。現今該技術(shù)已被廣泛應用于食品和飲料行業(yè)（牛奶、果汁、蔗糖溶液的蒸發(fā)）、環(huán)保化工行業(yè)（廢水的蒸發(fā)）等領(lǐng)域。在國內，1989 年，四川自貢張家壩化工廠(chǎng)首次引進(jìn) MVR 裝置[13]，其后越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始關(guān)注該技術(shù)，MVR 技術(shù)逐漸在國內各領(lǐng)域興起。

　　目前，MVR 技術(shù)的研究方向主要集中在蒸發(fā)器、水蒸氣壓縮機、系統工藝流程、系統結構優(yōu)化設計等方面。

　　MVR 系統的關(guān)鍵部件為壓縮機和蒸發(fā)器，針對不同的物料，物料物性不同，工藝要求，比如：蒸發(fā)溫度、壓力、處理量不同均會(huì )導致壓縮機、蒸發(fā)器形式和工作性能的不同。國內外研究主要集中在對蒸發(fā)器傳熱傳質(zhì)特性和壓縮機熱力特性的研究。

　　兩級機械蒸汽再壓縮系統：

兩級 MVR 系統原理圖

兩級 MVR 系統原理簡(jiǎn)圖

豎管降膜蒸發(fā)器結構示意圖

目錄

　　第 1 章 緒 論
　　　　1.1 課題研究背景和意義
　　　　1.2 國內外研究現狀及分析
　　　　　　1.2.1 MVR 系統主要部件研究
　　　　　　1.2.2 MVR 工藝流程的研究
　　　　　　1.2.3 MVR 系統優(yōu)化方法研究
　　　　　　1.2.4 MVR 系統運行特性研究
　　　　1.3 國內外文獻綜述小結
　　　　1.4 本文主要研究?jì)热?br /> 　　第 2 章 豎管降膜蒸發(fā)器傳熱傳質(zhì)數值模擬研究
　　　　2.1 豎管降膜蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)過(guò)程機理
　　　　2.2 工質(zhì)物性參數方程的確定
　　　　　　2.2.1 硫酸鎂溶液主要物性參數計算方程擬合
　　　　　　2.2.2 溶液分子擴散系數的求解
　　　　　　2.2.3 液膜側傳熱系數的定義
　　　　2.3 豎管降膜蒸發(fā)器傳熱傳質(zhì)數學(xué)建模
　　　　　　2.3.1 控制方程和邊界條件
　　　　　　2.3.2 液膜流速和膜厚求解
　　　　　　2.3.3 汽液平衡方程
　　　　2.4 數學(xué)模型求解
　　　　　　2.4.1 控制區域和控制方程離散
　　　　　　2.4.2 方程求解步驟
　　　　2.5 模擬結果討論
　　　　　　2.5.1 溫度和濃度的分布
　　　　　　2.5.2 降膜蒸發(fā)傳熱系數影響因素
　　　　2.6 本章小結
　　第 3 章 MVR 水蒸氣壓縮機熱力特性與蒸汽平衡
　　　　3.1 MVR 壓縮機熱力特性
　　　　　　3.1.1 活塞式壓縮機設計計算
　　　　　　3.1.2 壓縮機熱力特性比較
　　　　3.2 MVR 壓縮機計算模型建立
　　　　3.3 蒸汽平衡規律
　　　　　　3.3.1 蒸發(fā)器熱量衡算
　　　　　　3.3.2 熱量衡算結果分析
　　　　　　3.3.3 抽氣量影響規律
　　　　3.4 本章小結
　　第 4 章 兩級 MVR 系統數學(xué)模型建立
　　　　4.1 兩級 MVR 系統工藝流程建立
　　　　4.2 兩級 MVR 系統熱力模型建立
　　　　　　4.2.1 兩級 MVR 系統熱力計算模型控制方程建立
　　　　　　4.2.2 熱力計算模型分析
　　　　4.3 兩級 MVR 系統傳熱計算模型建立
　　　　　　4.3.1 預熱器傳熱計算模型建立
　　　　　　4.3.2 豎管降膜蒸發(fā)器傳熱計算模型建立
　　　　　　4.3.3 強制循環(huán)蒸發(fā)器傳熱計算模型建立
　　　　4.4 本章小結
　　第 5 章 兩級 MVR 系統優(yōu)化研究
　　　　5.1 兩級 MVR 系統設計分析
　　　　　　5.1.1 兩級 MVR 系統設計條件分析
　　　　　　5.1.2 兩級 MVR 系統熱力模型求解
　　　　5.2 兩級 MVR 系統優(yōu)化設計目標函數
　　　　　　5.2.1 優(yōu)化設計目標函數確定
　　　　　　5.2.2 系統年總費用計算
　　　　5.3 兩級 MVR 系統優(yōu)化的約束條件
　　　　5.4 單因素對目標函數影響分析
　　　　5.5 兩級 MVR 系統優(yōu)化算法
　　　　5.6 優(yōu)化設計方法及結果
　　　　5.7 本章小結
　　結 論
　　參考文獻
　　附錄
　　攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果
　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng )性聲明和使用權限
　　致 謝

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